11级土木工程朱枫计算书.doc

华南农业大学 第九届桥梁设计大赛 高校结构组 理论方案说明书 模型名称：桥吖桥 参赛队伍：队吖队 专业：土木工程、水利水电 参赛队员：朱枫、王乐然、刘杰满、程卓发、郭博翰、乐圣 2014年 3 月 （一）、设计说明 华南农业大学大学第九届桥梁设计大赛模型采用纸质材料制作，具体的结构形式不限。其尺寸限定如后。竞赛分为初赛和决赛：其中初赛加载方式是小车移动加载；决赛加载方式是竖向静力荷载加载。初赛加载时，组委会提供一辆装载小车，车上面装置加载砝码12KG，小车尺寸为200mm×150mm（150mm同轴两轮外缘距离），装置了加载砝码的装载小车必须能完整通过桥面，且在跨中停留不少于5秒的时间，每组加载时间至少为20秒。决赛加载时，大赛提供一套的加载台，加载台放在桥梁的的中央加载。参赛队伍选定加载重量，起始重量为15KG，工作人员将砝码放在吊平上后放手，静置5秒后桥梁未出现失效。结构模型由参赛选手制作，并安置在加载台上，结构模型以受力合理、造型优美、自重轻、承载力高为优。 在满足大赛要求的前提下，通过合理的设计桥梁结构形式，实现足够的刚度和强度来抵御小车通过桥面的移动荷载以及质量块在桥中央的竖直静力荷载，另外也要减少结构自重和在加载过程中发生的变形。整个分析设计过程需要综合运用结构力学、材料力学等相关的力学知识。 我们的设计理念是以尽可能的构件以及材料，组建强度高、形变少、抗疲劳性好、稳定且高效的模型结构，在承载小车的移动荷载后，保证结构在决赛能减少由于疲劳导致结构承载力下降过多的可能性，合理的体系选取及构件截面设计，使该结构简洁实用、线条清晰、有较好的视觉效果。 （二）、结构选型 （1）鱼腹梁结构：该体系传力明确，有较好的抗弯能力，而且结构体型优美，能满足基本功能要求。但是考虑到赛题要求中央下部必须有宽度为600mm、竖向高度60mm的通航空间，这样需要自制桥墩将结构架起，经实验分析可知，该结构体系很难满足在加载过程中最大挠度不超过20mm的要求。 （2）拱桥结构：该体系具有较大的跨越能力，通过计算合理拱结构可以充分发挥构件的抗压能力，构造简单，外形美观。但是大赛委员会并没有提供能抵抗拱桥结构对地基产生的水平推力，这极可能会使拱桥结构在加载过程中发生位移，而且手工制作难度较大。 （3）桁架结构：该体系虽然在实际使用中比较落伍，但是体系传力明确，能提供结构体系在加载过程中抵抗变形能力和水平移动，手工制作简单。该体系抗弯能力不强，而且自重可能偏大，故需要合理设计截面。 经过实验结果和理论分析权衡后，我们最终选择了桁架结构。 （三）、结构建模及主要计算参数 1）、分析假定 ①结构模型仅仅平放在加载台上，根据其约束情况，在结构分析模型中，与地面连接的节点的约束取为理想的固定铰支座约束。 ②所有结构构件均在弹性范围内工作，即计算时不考虑结构的材料非线性。 工况 1——小车移动荷载。将小车简化为点荷载从结构桥面一端移动到另一端，考察结构受力情况以及变形情况，进行初步的判断结构可能存在的问题。 工况2——结构桥面中央竖直静荷载。通过以长度120mm均布荷载的形式施加在结构中央，考察结构受力情况以及变形情况，进行初步的判断结构可能存在的问题。 2）、材料特性、几何模型 材料 密度 重度 弹性模量 泊松比 线膨胀系数 N-s2/mm4 N/mm3 N/mm2 1/℃ 极限拉应力（N/mm2） 极限压应力（N/mm2） 纸 6E-09 6.00E-06 1459 0.3 1.17E-05 22.2 7.0 3）、动、静力荷载参数 ①动荷载：桥面将通过15kg小车，将其设为移动荷载，并设置为荷载施加在有限元模型的框架上。 ②静荷载：结构桥面中央竖直静荷载。通过q=2.5N/mm以长度120mm均布荷载的形式施加在结构中央， 4）、有限元模型的建立 对于本结构，在进行结构内力分析时按空间刚架结构进行计算。由于结构材质为纸质，节点处连接靠胶水进行粘连，连接牢固，按照刚接计算较为合理。本结构在进行内力分析时，主结构设为梁单元计算。且本结构为空间结构，涉及杆件较多，具有多次超静定的特性，通过手工计算难以获得其准确的计算结果。为此，我们根据确定的结构形式、杆件截面以及材料属性等设计参数，在有限元分析程序Sap2000中建立结构的分析模型。如下图所示 （四）、结构内力与变形分析 我们结构内力分析是在有限元分析程序Sap2000中进行的，通过以上参考值、结构形式以及对截面的设计在Sap2000中定义，得出较准确的内力与变形分析。 1）、动荷载分析 由于主梁受力较为复杂，针对地考虑主梁的剪力和弯矩。 ①主梁剪力影